JP2003152173A - スピンフィルタ - Google Patents
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- H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 量子通信や量子演算などの技術において、キ
ャリアスピンの方向を簡易に判別する素子を提供する。 【解決手段】 半導体基板１上に、第１の磁性半導体多
重量子井戸構造２、非磁性半導体量子井戸構造３、及び
第２の磁性半導体多重量子井戸構造４を順次形成する。
第１の磁性半導体多重量子井戸構造２は、ダウンスピン
状態のキャリアのみを透過しフィルタリングする。第２
の磁性半導体多重量子井戸構造４は、アップスピン状態
のキャリアのみを透過しフィルタリングする。そして、
非磁性半導体量子井戸構造３にサブバンド間エネルギー
に相当するサブバンド光を照射し、第２のサブバンド準
位に励起した際に流れる電荷量から、フィルタリングさ
れたキャリア量を定量する。
ャリアスピンの方向を簡易に判別する素子を提供する。 【解決手段】 半導体基板１上に、第１の磁性半導体多
重量子井戸構造２、非磁性半導体量子井戸構造３、及び
第２の磁性半導体多重量子井戸構造４を順次形成する。
第１の磁性半導体多重量子井戸構造２は、ダウンスピン
状態のキャリアのみを透過しフィルタリングする。第２
の磁性半導体多重量子井戸構造４は、アップスピン状態
のキャリアのみを透過しフィルタリングする。そして、
非磁性半導体量子井戸構造３にサブバンド間エネルギー
に相当するサブバンド光を照射し、第２のサブバンド準
位に励起した際に流れる電荷量から、フィルタリングさ
れたキャリア量を定量する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、量子通信や量子情
報処理などにおいて好適に用いることのできる、スピン
フィルタに関する。
報処理などにおいて好適に用いることのできる、スピン
フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】次世代の究極技術として、電子スピンを
用いた量子通信や量子演算などが着目されている。この
ような技術においては、情報の読み出しを行なう際に、
ユニタリ変換を行なって、前記量子通信などに用いるキ
ャリアスピンの方向を測定することが要求される。キャ
リアスピンの方向を高感度に判別する方法としては、現
在、時間分解ファラデー回転法などの技術が開発され、
実用に供されているが、大規模なレーザ装置を必要とす
る点において簡便性に欠ける。
用いた量子通信や量子演算などが着目されている。この
ような技術においては、情報の読み出しを行なう際に、
ユニタリ変換を行なって、前記量子通信などに用いるキ
ャリアスピンの方向を測定することが要求される。キャ
リアスピンの方向を高感度に判別する方法としては、現
在、時間分解ファラデー回転法などの技術が開発され、
実用に供されているが、大規模なレーザ装置を必要とす
る点において簡便性に欠ける。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、量子通信や
量子演算などの技術において、キャリアスピンの方向を
簡易に判別する素子を提供することを目的とする。
量子演算などの技術において、キャリアスピンの方向を
簡易に判別する素子を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、第１の磁性半導体多重量子井戸構造と、第２
の磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井
戸構造とを具え、この非磁性半導体量子井戸構造は、前
記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁
性半導体多重量子井戸構造と隣接するようにして挟ま
れ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第
２の磁性半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を印加す
ることによってスピン分裂させ、前記第１の磁性半導体
多重量子井戸構造において、ダウンスピンの状態にある
キャリアのみを透過させ、前記第２の磁性半導体多重量
子井戸において、アップスピンの状態にあるキャリアの
みを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフ
ィルタ（第１のスピンフィルタ）に関する。
本発明は、第１の磁性半導体多重量子井戸構造と、第２
の磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井
戸構造とを具え、この非磁性半導体量子井戸構造は、前
記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁
性半導体多重量子井戸構造と隣接するようにして挟ま
れ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第
２の磁性半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を印加す
ることによってスピン分裂させ、前記第１の磁性半導体
多重量子井戸構造において、ダウンスピンの状態にある
キャリアのみを透過させ、前記第２の磁性半導体多重量
子井戸において、アップスピンの状態にあるキャリアの
みを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフ
ィルタ（第１のスピンフィルタ）に関する。
【０００５】また、本発明は、磁性半導体多重量子井戸
構造と、非磁性半導体量子井戸構造とが隣接されて配置
され、前記磁性半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を
印加してスピン分裂を生じさせ、前記磁性半導体多重量
子井戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの
少なくとも一方の状態にあるキャリアのみを透過させる
ようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ（第２の
スピンフィルタ）に関する。
構造と、非磁性半導体量子井戸構造とが隣接されて配置
され、前記磁性半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を
印加してスピン分裂を生じさせ、前記磁性半導体多重量
子井戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの
少なくとも一方の状態にあるキャリアのみを透過させる
ようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ（第２の
スピンフィルタ）に関する。
【０００６】本発明者らは、キャリアスピンの方向を簡
易に判別する素子として、上述したような、磁性半導体
多重量子井戸構造と非磁性半導体多重量子井戸構造とか
らなるスピンフィルタを開発した。
易に判別する素子として、上述したような、磁性半導体
多重量子井戸構造と非磁性半導体多重量子井戸構造とか
らなるスピンフィルタを開発した。
【０００７】前記磁性半導体多重量子井戸構造は、例え
ば、II−VI族化合物半導体、特にはＺｎＳｅ層とＺｎＭ
ｎＳｅ層とを交互に周期的に積層して構成することがで
きる。このとき、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層との厚さ
を適宜に調節することにより、特定のエネルギー領域に
あるキャリアについて、そのダウンスピン状態にあるも
の、又はアップスピン状態にあるものだけが透過するよ
うになる。
ば、II−VI族化合物半導体、特にはＺｎＳｅ層とＺｎＭ
ｎＳｅ層とを交互に周期的に積層して構成することがで
きる。このとき、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層との厚さ
を適宜に調節することにより、特定のエネルギー領域に
あるキャリアについて、そのダウンスピン状態にあるも
の、又はアップスピン状態にあるものだけが透過するよ
うになる。
【０００８】図１は、磁性半導体多重量子井戸構造を構
成する、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さを変化さ
せた場合における、キャリアの透過率スペクトルのシュ
ミレーション結果を示す図である。シュミレーション
は、温度４Ｋにおいて、磁性半導体多重量子井戸構造に
対して５Ｔの磁場を印加した場合を想定した。また、積
層周期数は１０周期とした。
成する、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さを変化さ
せた場合における、キャリアの透過率スペクトルのシュ
ミレーション結果を示す図である。シュミレーション
は、温度４Ｋにおいて、磁性半導体多重量子井戸構造に
対して５Ｔの磁場を印加した場合を想定した。また、積
層周期数は１０周期とした。
【０００９】図１から明らかなように、ＺｎＳｅ層及び
ＺｎＭｎＳｅ層の厚さが共に５ｎｍの場合においては、
図１（ａ）に示すように、約２０〜３０ｍｅＶのエネル
ギー領域にあるキャリアは、アップスピンの状態のもの
だけが透過し、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域に
あるキャリアは、ダウンスピンの状態のものだけが透過
する。
ＺｎＭｎＳｅ層の厚さが共に５ｎｍの場合においては、
図１（ａ）に示すように、約２０〜３０ｍｅＶのエネル
ギー領域にあるキャリアは、アップスピンの状態のもの
だけが透過し、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域に
あるキャリアは、ダウンスピンの状態のものだけが透過
する。
【００１０】また、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚
さが共に７．５ｎｍの場合においては、図１（ｂ）に示
すように、約１０ｍｅＶ前後の領域にあるキャリアは、
アップスピンのものだけが透過し、約１０〜２０ｍｅＶ
のエネルギー領域にあるキャリアは、ダウンスピンのも
のだけが透過する。さらに、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳ
ｅ層の厚さが共に１０ｎｍの場合においては、約１０ｍ
ｅＶ前後のエネルギー領域にあるキャリアにおいて、ダ
ウンスピンの状態にあるものだけが透過するようにな
る。
さが共に７．５ｎｍの場合においては、図１（ｂ）に示
すように、約１０ｍｅＶ前後の領域にあるキャリアは、
アップスピンのものだけが透過し、約１０〜２０ｍｅＶ
のエネルギー領域にあるキャリアは、ダウンスピンのも
のだけが透過する。さらに、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳ
ｅ層の厚さが共に１０ｎｍの場合においては、約１０ｍ
ｅＶ前後のエネルギー領域にあるキャリアにおいて、ダ
ウンスピンの状態にあるものだけが透過するようにな
る。
【００１１】したがって、本発明に従った上記第１のス
ピンフィルタにおいて、例えば、第１の磁性半導体多重
量子井戸構造を厚さ７．５ｎｍより若干薄いＺｎＳｅ層
とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成し、第２の磁
性半導体多重量子井戸構造を厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層と
ＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成することによ
り、図１（ａ）及び（ｂ）から分かるように、約２０〜
３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、前記第
１の磁性半導体多重量子井戸構造においてはダウンスピ
ンの状態にあるものだけが透過し、前記第２の磁性半導
体多重量子井戸構造においてはアップスピンの状態にあ
るものだけが透過する。
ピンフィルタにおいて、例えば、第１の磁性半導体多重
量子井戸構造を厚さ７．５ｎｍより若干薄いＺｎＳｅ層
とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成し、第２の磁
性半導体多重量子井戸構造を厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層と
ＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成することによ
り、図１（ａ）及び（ｂ）から分かるように、約２０〜
３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、前記第
１の磁性半導体多重量子井戸構造においてはダウンスピ
ンの状態にあるものだけが透過し、前記第２の磁性半導
体多重量子井戸構造においてはアップスピンの状態にあ
るものだけが透過する。
【００１２】この結果、本発明の第１のスピンフィルタ
においては、同じエネルギー領域にあるキャリアのダウ
ンスピン状態にあるもの、及びアップスピン状態にある
ものを同時にフィルタリングすることができる。
においては、同じエネルギー領域にあるキャリアのダウ
ンスピン状態にあるもの、及びアップスピン状態にある
ものを同時にフィルタリングすることができる。
【００１３】但し、第１の磁性半導体多重量子井戸構造
及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を同様の積層構
造から構成することにより、異なるエネルギー領域にあ
るキャリアのダウンスピン状態にあるもの、又はアップ
スピン状態にあるものを透過させ、フィルタリングする
ことができる。
及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を同様の積層構
造から構成することにより、異なるエネルギー領域にあ
るキャリアのダウンスピン状態にあるもの、又はアップ
スピン状態にあるものを透過させ、フィルタリングする
ことができる。
【００１４】例えば、第１の磁性半導体多重量子井戸構
造及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を、それぞれ
厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積
層して構成することにより、図１（ａ）から分かるよう
に、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリ
アは、そのアップスピン状態にあるものだけが透過さ
れ、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリ
アは、そのダウンスピン状態にあるものだけが透過され
るようになる。
造及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を、それぞれ
厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積
層して構成することにより、図１（ａ）から分かるよう
に、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリ
アは、そのアップスピン状態にあるものだけが透過さ
れ、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリ
アは、そのダウンスピン状態にあるものだけが透過され
るようになる。
【００１５】一方、このようにキャリアのダウンスピン
状態及びアップスピン状態を、各エネルギー領域毎に、
いずれか一方のみを透過させフィルタリングするような
場合においては、上述のように２組の磁性半導体多重量
子井戸構造を設けることなく、単独の磁性半導体多重量
子井戸構造を設けるのみで実現することができる。
状態及びアップスピン状態を、各エネルギー領域毎に、
いずれか一方のみを透過させフィルタリングするような
場合においては、上述のように２組の磁性半導体多重量
子井戸構造を設けることなく、単独の磁性半導体多重量
子井戸構造を設けるのみで実現することができる。
【００１６】例えば、厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭ
ｎＳｅ層とが交互に積層されてなる磁性半導体多重量子
井戸構造を単独で設けることにより、図１（ａ）から分
かるように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあ
るキャリアについては、そのアップスピン状態にあるも
のだけが透過され、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領
域にあるキャリアについては、そのダウンスピン状態に
あるものだけが透過されるようになる。本発明の第２の
スピンキャリアは、このような観点の下になされたもの
である。
ｎＳｅ層とが交互に積層されてなる磁性半導体多重量子
井戸構造を単独で設けることにより、図１（ａ）から分
かるように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあ
るキャリアについては、そのアップスピン状態にあるも
のだけが透過され、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領
域にあるキャリアについては、そのダウンスピン状態に
あるものだけが透過されるようになる。本発明の第２の
スピンキャリアは、このような観点の下になされたもの
である。
【００１７】上述したように、本発明の第１及び２のス
ピンフィルタは、いずれの場合においてもキャリアのス
ピン状態に応じて、前記キャリアを選択的に透過させ、
フィルタリングすることができる。したがって、次世代
の量子通信や量子演算などにおける素子として好適に用
いることができる。
ピンフィルタは、いずれの場合においてもキャリアのス
ピン状態に応じて、前記キャリアを選択的に透過させ、
フィルタリングすることができる。したがって、次世代
の量子通信や量子演算などにおける素子として好適に用
いることができる。
【００１８】また、本発明における「キャリア」は、半
導体量子井戸構造内における固体内電子又は正孔を意味
し、外部からの光照射又は電場印加などによって、誘起
されるものである。
導体量子井戸構造内における固体内電子又は正孔を意味
し、外部からの光照射又は電場印加などによって、誘起
されるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の第１のス
ピンフィルタの一例を示す構成図である。図２に示すス
ピンフィルタ１０は、ＧａＡｓなどからなる半導体基板
１上において、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２、
非磁性半導体量子井戸構造３、及び第２の磁性半導体多
重量子井戸構造４が順次に積層されている。
に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の第１のス
ピンフィルタの一例を示す構成図である。図２に示すス
ピンフィルタ１０は、ＧａＡｓなどからなる半導体基板
１上において、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２、
非磁性半導体量子井戸構造３、及び第２の磁性半導体多
重量子井戸構造４が順次に積層されている。
【００２０】今、所定の磁場を印加されて、第１及び第
２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４においてスピ
ン分裂が生じ、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２が
ダウンスピン状態のキャリアを透過し、第２の磁性半導
体多重量子井戸構造３がアップスピン状態のキャリアを
透過するとする。このとき、第１の磁性半導体多重量子
井戸構造２内には、透過されたダウンスピン状態のキャ
リアのそれぞれに応じて一定方向、例えば図中矢印Ａで
示すような向きに電荷の移動が生じる。一方、第２の磁
性半導体多重量子井戸構造４内には、透過されたアップ
スピン状態のキャリアのそれぞれに応じて前記ダウンス
ピン状態のキャリアとは逆向きの、例えば、図中矢印Ｂ
で示すような向きに電荷の移動が生じる。
２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４においてスピ
ン分裂が生じ、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２が
ダウンスピン状態のキャリアを透過し、第２の磁性半導
体多重量子井戸構造３がアップスピン状態のキャリアを
透過するとする。このとき、第１の磁性半導体多重量子
井戸構造２内には、透過されたダウンスピン状態のキャ
リアのそれぞれに応じて一定方向、例えば図中矢印Ａで
示すような向きに電荷の移動が生じる。一方、第２の磁
性半導体多重量子井戸構造４内には、透過されたアップ
スピン状態のキャリアのそれぞれに応じて前記ダウンス
ピン状態のキャリアとは逆向きの、例えば、図中矢印Ｂ
で示すような向きに電荷の移動が生じる。
【００２１】したがって、矢印Ａで示される電荷量及び
矢印Ｂで示される電荷量を計測することによって、ダウ
ンスピン状態のキャリア量及びアップスピン状態にある
キャリア量を定量することができる。
矢印Ｂで示される電荷量を計測することによって、ダウ
ンスピン状態のキャリア量及びアップスピン状態にある
キャリア量を定量することができる。
【００２２】しかしながら、スピンフィルタ１０は、そ
れ自体を１つの素子として独立させて用いる。さらに、
実際に用いる場合においては、外部からの励起媒体に依
存して、生成されるキャリアのスピン状態などが変化す
るため、前記励起媒体に応じてスピンフィルタ１０がど
のように応答するのかが問題になる。
れ自体を１つの素子として独立させて用いる。さらに、
実際に用いる場合においては、外部からの励起媒体に依
存して、生成されるキャリアのスピン状態などが変化す
るため、前記励起媒体に応じてスピンフィルタ１０がど
のように応答するのかが問題になる。
【００２３】したがって、通常は、矢印Ａ及びＢで示さ
れる電荷量の合計を計測して、その応答性を監視するこ
とになる。すなわち、キャリアのダウンスピン状態及び
アップスピン状態のそれぞれが単独で問題となるのでは
なく、スピンフィルタ１０が、フィルタリングできるエ
ネルギー領域に励起されたキャリアの全体に対してどの
ように応答するのかが問題となる。
れる電荷量の合計を計測して、その応答性を監視するこ
とになる。すなわち、キャリアのダウンスピン状態及び
アップスピン状態のそれぞれが単独で問題となるのでは
なく、スピンフィルタ１０が、フィルタリングできるエ
ネルギー領域に励起されたキャリアの全体に対してどの
ように応答するのかが問題となる。
【００２４】この場合においては、非磁性体半導体量子
井戸構造３を所定の準位に励起し、内部に所定のキャリ
アを生成させ、スピンフィルタ１０全体を導通状態とす
ることによって、スピンフィルタ１０全体に流れる電荷
量、例えば、図中矢印Ｃで示す電荷量を計測する。
井戸構造３を所定の準位に励起し、内部に所定のキャリ
アを生成させ、スピンフィルタ１０全体を導通状態とす
ることによって、スピンフィルタ１０全体に流れる電荷
量、例えば、図中矢印Ｃで示す電荷量を計測する。
【００２５】特に、非磁性半導体量子井戸構造３に対し
て、同一又は異なるバンドに属するサブバンドのサブバ
ンド間エネルギーに相当するサブバンド間光を照射し、
非磁性半導体量子井戸構造３を所定のサブバンドにまで
励起し、このときに移動する電荷量を計測することが好
ましい。前記サブバンド間光は、キャリアのスピン状態
を変化させることがないため、前記電荷量は、第１及び
第２の磁性半導体多重量子井戸構造で透過されフィルタ
リングされたキャリアのスピン状態を忠実に再現したも
のとなる。
て、同一又は異なるバンドに属するサブバンドのサブバ
ンド間エネルギーに相当するサブバンド間光を照射し、
非磁性半導体量子井戸構造３を所定のサブバンドにまで
励起し、このときに移動する電荷量を計測することが好
ましい。前記サブバンド間光は、キャリアのスピン状態
を変化させることがないため、前記電荷量は、第１及び
第２の磁性半導体多重量子井戸構造で透過されフィルタ
リングされたキャリアのスピン状態を忠実に再現したも
のとなる。
【００２６】第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構
造２及び４、並びに非磁性半導体量子井戸構造３は、例
えば、所定のII−VI族化合物半導体から構成することが
できる。例えば、第１及び第２の磁性半導体多重量子井
戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とを周
期的に交互に積層して構成し、非磁性半導体量子井戸構
造３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを
積層して構成することができる。また、非磁性半導体量
子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期
的に交互に積層して構成することができる。
造２及び４、並びに非磁性半導体量子井戸構造３は、例
えば、所定のII−VI族化合物半導体から構成することが
できる。例えば、第１及び第２の磁性半導体多重量子井
戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とを周
期的に交互に積層して構成し、非磁性半導体量子井戸構
造３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを
積層して構成することができる。また、非磁性半導体量
子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期
的に交互に積層して構成することができる。
【００２７】また、第１及び第２の磁性半導体多重量子
井戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層
とを交互に周期的に積層させて構成し、非磁性半導体量
子井戸構造３を、非磁性半導体量子井戸構造３を、単層
のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成
することができる。また、前述したように、非磁性半導
体量子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを
周期的に交互に積層して構成することができる。
井戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層
とを交互に周期的に積層させて構成し、非磁性半導体量
子井戸構造３を、非磁性半導体量子井戸構造３を、単層
のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成
することができる。また、前述したように、非磁性半導
体量子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを
周期的に交互に積層して構成することができる。
【００２８】図３は、本発明の第２のスピンフィルタの
一例を示す構成図である。図３に示すスピンフィルタ２
０においては、ＧａＡｓなどからなる半導体基板１１上
に、磁性半導体多重量子井戸構造１２、非磁性半導体量
子井戸構造１３、及び半導体障壁層１５が順次形成され
ている。そして、この場合においては、所定の磁場が印
加されて磁性半導体多重量子井戸構造１２内にスピン分
裂が生じると、上述したように、キャリアのエネルギー
領域に応じてダウンスピン状態又はアップスピン状態の
キャリアが透過されフィルタリングされる。
一例を示す構成図である。図３に示すスピンフィルタ２
０においては、ＧａＡｓなどからなる半導体基板１１上
に、磁性半導体多重量子井戸構造１２、非磁性半導体量
子井戸構造１３、及び半導体障壁層１５が順次形成され
ている。そして、この場合においては、所定の磁場が印
加されて磁性半導体多重量子井戸構造１２内にスピン分
裂が生じると、上述したように、キャリアのエネルギー
領域に応じてダウンスピン状態又はアップスピン状態の
キャリアが透過されフィルタリングされる。
【００２９】ダウンスピン状態のキャリアがフィルタリ
ングされた際には、これらのキャリアに応じて、例えば
図中矢印Ｐで示すような電荷の移動が生じる。そして、
アップスピン状態のキャリアがフィルタリングされた際
には、これらのキャリアに応じて、同様に図中矢印Ｐで
示すような電荷の移動が生じる。したがって、これらの
電荷量を計測することによって、透過されフィルタリン
グされたダウンスピン状態のキャリア又はアップスピン
状態のキャリアを定量することができる。
ングされた際には、これらのキャリアに応じて、例えば
図中矢印Ｐで示すような電荷の移動が生じる。そして、
アップスピン状態のキャリアがフィルタリングされた際
には、これらのキャリアに応じて、同様に図中矢印Ｐで
示すような電荷の移動が生じる。したがって、これらの
電荷量を計測することによって、透過されフィルタリン
グされたダウンスピン状態のキャリア又はアップスピン
状態のキャリアを定量することができる。
【００３０】定量の際には、上述したように非磁性半導
体量子井戸構造１３を励起して所定のキャリアを生成さ
せ、スピンフィルタ２０全体に流れる電荷量を計測す
る。好ましくは、前述したように、非磁性半導体量子井
戸構造１３に対して、所定の光を照射し、非磁性半導体
量子井戸構造１３を所定の準位に励起し、このときに流
れる電荷量を計測する。この電荷量はフィルタリングさ
れたキャリア量を忠実に再現したものとなるので、フィ
ルタリングされたキャリア量を正確に定量することがで
きる。
体量子井戸構造１３を励起して所定のキャリアを生成さ
せ、スピンフィルタ２０全体に流れる電荷量を計測す
る。好ましくは、前述したように、非磁性半導体量子井
戸構造１３に対して、所定の光を照射し、非磁性半導体
量子井戸構造１３を所定の準位に励起し、このときに流
れる電荷量を計測する。この電荷量はフィルタリングさ
れたキャリア量を忠実に再現したものとなるので、フィ
ルタリングされたキャリア量を正確に定量することがで
きる。
【００３１】なお、図３における半導体障壁層１５は、
キャリアの閉じ込めをより効果的に行なうためのもので
あり、磁性半導体多重量子井戸構造１２及び非磁性半導
体量子井戸構造１３と比較して、大きなバンドギャップ
を有する。しかしながら、このような半導体障壁層は必
ずしも要求されるものではなく、半導体障壁層を有しな
くとも十分に機能し得る、本発明に従った第２のスピン
フィルタを提供することができる。また、半導体障壁層
の機能を半導体基板１１に付与することもできる。
キャリアの閉じ込めをより効果的に行なうためのもので
あり、磁性半導体多重量子井戸構造１２及び非磁性半導
体量子井戸構造１３と比較して、大きなバンドギャップ
を有する。しかしながら、このような半導体障壁層は必
ずしも要求されるものではなく、半導体障壁層を有しな
くとも十分に機能し得る、本発明に従った第２のスピン
フィルタを提供することができる。また、半導体障壁層
の機能を半導体基板１１に付与することもできる。
【００３２】磁性半導体多重量子井戸構造１２、及び非
磁性半導体量子井戸構造１３は、上記同様に、所定のII
−VI族化合物半導体から構成することができる。例え
ば、磁性半導体多重量子井戸構造１２を、ＺｎＳｅ層と
ＺｎＭｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成し、非
磁性半導体量子井戸構造１３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層
と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができ
る。また、非磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄ
Ｓｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成す
ることができる。
磁性半導体量子井戸構造１３は、上記同様に、所定のII
−VI族化合物半導体から構成することができる。例え
ば、磁性半導体多重量子井戸構造１２を、ＺｎＳｅ層と
ＺｎＭｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成し、非
磁性半導体量子井戸構造１３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層
と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができ
る。また、非磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄ
Ｓｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成す
ることができる。
【００３３】また、磁性半導体多重量子井戸構造１２
を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とを交互に周期的
に積層させて構成し、非磁性半導体量子井戸構造１３
を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層
して構成することができる。また、前述したように、非
磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎ
Ｓｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができ
る。
を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とを交互に周期的
に積層させて構成し、非磁性半導体量子井戸構造１３
を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層
して構成することができる。また、前述したように、非
磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎ
Ｓｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができ
る。
【００３４】さらに、半導体障壁層１５は、ＢｅＴｅ、
ＺｎＳＳｅ、及びＺｎＭｇＳｅなどから構成することが
できる。
ＺｎＳＳｅ、及びＺｎＭｇＳｅなどから構成することが
できる。
【００３５】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であ
る。
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であ
る。
【００３６】例えば、本発明の第２のスピンフィルタに
おいて、半導体障壁層を設ける代わりに、この半導体障
壁層を構成する材料を非磁性半導体量子井戸構造に組み
込み、例えば、ＺｎＣｄＳｅ層とＢｅＴｅ層との超格子
構造とすることにより、非磁性半導体量子井戸構造自体
に半導体障壁層の機能を組み込むことができる。
おいて、半導体障壁層を設ける代わりに、この半導体障
壁層を構成する材料を非磁性半導体量子井戸構造に組み
込み、例えば、ＺｎＣｄＳｅ層とＢｅＴｅ層との超格子
構造とすることにより、非磁性半導体量子井戸構造自体
に半導体障壁層の機能を組み込むことができる。
【００３７】また、本発明のスピンフィルタを用いるこ
とによって高周波発生器を作製することができる。例え
ば、図２に示すような構成のスピンフィルタにおいて、
第１の磁性半導体多重量子井戸構造２及び第２の磁性半
導体多重量子井戸構造４に所定の磁場が印加されてスピ
ン分裂した状態で、非磁性半導体量子井戸構造３のバン
ド間に相当するエネルギーを有する円偏光を照射する
と、非磁性半導体量子井戸構造３内には、歳差運動する
電子スピンが生成される。このとき、前述したようにサ
ブバンド間光を照射し、非磁性半導体量子井戸構造３を
所定のサブバンドにまで励起し、このときに流れる電荷
量を計測する。
とによって高周波発生器を作製することができる。例え
ば、図２に示すような構成のスピンフィルタにおいて、
第１の磁性半導体多重量子井戸構造２及び第２の磁性半
導体多重量子井戸構造４に所定の磁場が印加されてスピ
ン分裂した状態で、非磁性半導体量子井戸構造３のバン
ド間に相当するエネルギーを有する円偏光を照射する
と、非磁性半導体量子井戸構造３内には、歳差運動する
電子スピンが生成される。このとき、前述したようにサ
ブバンド間光を照射し、非磁性半導体量子井戸構造３を
所定のサブバンドにまで励起し、このときに流れる電荷
量を計測する。
【００３８】電荷の流れる方向は、スピンの方向に応じ
て変化するため、スピンの歳差運動の周波数で変化する
ようになる。一方、歳差運動の周波数は印加する磁場の
大きさに比例して線形的に変化する。したがって、この
電荷量を所定のアンテナとカップリングすることによっ
て、広帯域で周波数可変な高周波発生器を得ることがで
きる。
て変化するため、スピンの歳差運動の周波数で変化する
ようになる。一方、歳差運動の周波数は印加する磁場の
大きさに比例して線形的に変化する。したがって、この
電荷量を所定のアンテナとカップリングすることによっ
て、広帯域で周波数可変な高周波発生器を得ることがで
きる。
【００３９】なお、上記においては、複数のキャリアを
用い、これら複数のキャリアを１つのグループとして、
このグループを総合的に観察した際のスピン方向を判別
し、測定するようにしたが、単一のキャリアを用い、こ
のキャリアのスピン方向を判別し、測定することもでき
る。
用い、これら複数のキャリアを１つのグループとして、
このグループを総合的に観察した際のスピン方向を判別
し、測定するようにしたが、単一のキャリアを用い、こ
のキャリアのスピン方向を判別し、測定することもでき
る。
【００４０】さらに、上記においては、第１の磁性半導
体多重量子井戸構造２などをII−VI族化合物半導体から
構成する場合について説明してきたが、第１の磁性半導
体多重量子井戸構造２などは、III−Ｖ族化合物強磁性
半導体から構成することもできる。
体多重量子井戸構造２などをII−VI族化合物半導体から
構成する場合について説明してきたが、第１の磁性半導
体多重量子井戸構造２などは、III−Ｖ族化合物強磁性
半導体から構成することもできる。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
量子通信や量子演算などの技術において、キャリアスピ
ンの方向を簡易に判別する素子としての、スピンフィル
タを提供することができる。
量子通信や量子演算などの技術において、キャリアスピ
ンの方向を簡易に判別する素子としての、スピンフィル
タを提供することができる。
【図１】 本発明のスピンフィルタにおける、キャリア
の透過率スペクトルのシュミレーション結果を示す図で
ある。
の透過率スペクトルのシュミレーション結果を示す図で
ある。
【図２】 本発明の第１のスピンフィルタの一例を示す
構成図である。
構成図である。
【図３】 本発明の第２のスピンフィルタの一例を示す
構成図である。
構成図である。
１、１１ 半導体基板
２ 第１の磁性半導体多重量子井戸構造
３、１３ 非磁性半導体量子井戸構造
４ 第２の磁性半導体多重量子井戸構造
１０ 第１のスピンフィルタ
１２ 磁性半導体多重量子井戸構造
１５ 半導体障壁層
２０ 第２のスピンフィルタ
Claims (16)
- 【請求項１】 第１の磁性半導体多重量子井戸構造と、
第２の磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量
子井戸構造とを具え、この非磁性半導体量子井戸構造
は、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第
２の磁性半導体多重量子井戸構造と隣接するようにして
挟まれ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前
記第２の磁性半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を印
加することによってスピン分裂させ、前記第１の磁性半
導体多重量子井戸構造において、ダウンスピンの状態に
あるキャリアのみを透過させ、前記第２の磁性半導体多
重量子井戸において、アップスピンの状態にあるキャリ
アのみを透過させるようにしたことを特徴とする、スピ
ンフィルタ。 - 【請求項２】 前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造
を透過した前記ダウンスピン状態にあるキャリア量と、
前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造を透過した前記
アップスピン状態にあるキャリア量とは、前記非磁性半
導体量子井戸構造を所定の準位に励起し、これによって
前記スピンフィルタ内に流れる電荷量を計測することに
よって、定量することを特徴とする、請求項１に記載の
スピンフィルタ。 - 【請求項３】 前記非磁性半導体量子井戸構造は、同一
又は異なるバンドに属するサブバンドのサブバンド間エ
ネルギーに相当するサブバンド間光によって、所定のサ
ブバンドに励起し、前記スピンフィルタ内に流れる電荷
量を計測することにより、前記ダウンスピン状態にある
キャリア量と、前記アップスピン状態にあるキャリア量
とを定量することを特徴とする、請求項２に記載のスピ
ンフィルタ。 - 【請求項４】 前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造
及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくと
も一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期
的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造
は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層
されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか
一に記載のスピンフィルタ。 - 【請求項５】 前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造
及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくと
も一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期
的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造
は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積
層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれ
か一に記載のスピンフィルタ。 - 【請求項６】前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及
び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくとも
一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周
期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造
は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層
されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか
一に記載のスピンフィルタ。 - 【請求項７】 前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造
及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくと
も一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に
周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構
造は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に
積層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいず
れか一に記載のスピンフィルタ。 - 【請求項８】 磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性
半導体量子井戸構造とが隣接されて配置され、前記磁性
半導体多重量子井戸構造に所定の磁場を印加してスピン
分裂を生じさせ、前記磁性半導体多重量子井戸構造にお
いて、アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方
の状態にあるキャリアのみを透過させるようにしたこと
を特徴とする、スピンフィルタ。 - 【請求項９】 前記非磁性半導体量子井戸構造の、前記
磁性半導体多重量子井戸構造と反対の側に隣接するよう
にして半導体障壁層を具え、前記磁性半導体多重量子井
戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの少な
くとも一方の状態にあるキャリアをそれぞれ透過させる
ようにしたことを特徴とする、請求項８に記載のスピン
フィルタ。 - 【請求項１０】 前記磁性半導体多重量子井戸構造を透
過した前記アップスピン及びダウンスピンの少なくとも
一方の状態にあるキャリア量は、前記非磁性半導体量子
井戸構造を所定の準位に励起し、これによって前記スピ
ンフィルタ内に流れる電荷量を計測することによって、
定量することを特徴とする、請求項８又は９に記載のス
ピンフィルタ。 - 【請求項１１】 前記非磁性半導体量子井戸構造は、外
部光によって所定のエネルギー準位に励起し、前記スピ
ンフィルタ内に流れる電荷量を計測することにより、前
記アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状
態にあるキャリア量を定量することを特徴とする、請求
項１０に記載のスピンフィルタ。 - 【請求項１２】 前記磁性半導体多重量子井戸構造は、
ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層さ
れてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層のＺ
ｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてなるこ
とを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載の
スピンフィルタ。 - 【請求項１３】 前記磁性半導体多重量子井戸構造は、
ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層さ
れてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、ＺｎＣｄ
Ｓｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなる
ことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載
のスピンフィルタ。 - 【請求項１４】 前記磁性半導体多重量子井戸構造は、
ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積
層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層
のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてな
ることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記
載のスピンフィルタ。 - 【請求項１５】 前記磁性半導体多重量子井戸構造は、
ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積
層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、Ｚｎ
ＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されて
なることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に
記載のスピンフィルタ。 - 【請求項１６】 請求項１〜１５のいずれか一に記載の
スピンフィルタを具える高周波発生器。
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|---|---|---|---|
| JP2001346909A JP3834616B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | スピンフィルタ |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001346909A JP3834616B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | スピンフィルタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003152173A true JP2003152173A (ja) | 2003-05-23 |
| JP3834616B2 JP3834616B2 (ja) | 2006-10-18 |
Family
ID=19159990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001346909A Expired - Lifetime JP3834616B2 (ja) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | スピンフィルタ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP3834616B2 (ja) |
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| JP2015225870A (ja) * | 2014-05-26 | 2015-12-14 | 日本電信電話株式会社 | 電子スピン制御装置および制御方法 |
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| US7852667B2 (en) * | 2008-10-27 | 2010-12-14 | Seagate Technology Llc | ST-RAM employing a magnetic resonant tunneling diode as a spacer layer |
| US20100102405A1 (en) * | 2008-10-27 | 2010-04-29 | Seagate Technology Llc | St-ram employing a spin filter |
| US20100103565A1 (en) * | 2008-10-27 | 2010-04-29 | Seagate Technology Llc | St-ram employing heusler alloys |
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| US7826181B2 (en) * | 2008-11-12 | 2010-11-02 | Seagate Technology Llc | Magnetic memory with porous non-conductive current confinement layer |
| US8289756B2 (en) | 2008-11-25 | 2012-10-16 | Seagate Technology Llc | Non volatile memory including stabilizing structures |
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| US7999338B2 (en) | 2009-07-13 | 2011-08-16 | Seagate Technology Llc | Magnetic stack having reference layers with orthogonal magnetization orientation directions |
| US9941469B2 (en) * | 2015-10-06 | 2018-04-10 | International Business Machines Corporation | Double spin filter tunnel junction |
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